Ионизация газов. Несамостоятельный газовый разряд. Типы газовых разрядов

 

Газы при не слишком высоких температурах и при давлениях, близких к атмосферному, являются хорошими изоляторами. Это объясняется тем, что газы при обычных условиях состоят из нейтральных атомов и молекул и не содержат свободных зарядов (электронов и ионов). Газ становится проводником электричества, когда некоторая часть его молекул ионизуется, Для этого газ надо подвергнуть действию какого-либо ионизатора (например, использовать пламя свечи, ультрафиолетовое и рентгеновское излучения, g-кванты, потоки электронов, протонов, a-частиц и т. д). Энергия ионизации, атомов различных газов лежит в пределах 4 — 25 эВ. В ионизованном газе появляются заряженные частицы, способные двигаться под действием электрического поля - положительные и отрицательные ионы и свободные электроны.

Прохождение электрического тока через газы называется газовым разрядом.

Одновременно с процессом ионизации газа всегда идет и обратный процесс — процесс рекомбинации: положительные и отрицательные ионы, положительные ионы и электроны, встречаясь, соединяются между собой с образованием нейтральных атомов и молекул. Баланс их скоростей определяет концентрацию заряженных частиц в газе. Процессы рекомбинации ионов, также как и возбуждение ионов, не приводящее к ионизации, приводят к свечению газа, цвет которого определяется свойствами газа.

Характер газового разряда определяется составом газа, его температурой и давлением, размерами, конфигурацией и материалом электродов, приложенным напряжением, плотностью тока и т. д.

Рассмотрим цепь, содержащую газовый промежуток, подвергающийся непрерывному, постоянному по интенсивности воздействию внешнего ионизатора.

 

В результате ионизации газа и в цепи потечет ток, зависимость которого от приложенного напряжения дана на рис.

 

 

На участке кривой ОА ток возрастает пропорционально напряжению, т. е. выполняется закон Ома. При дальнейшем увеличении напряжения закон Ома нарушается: рост силы тока замедляется (участок АВ) и, наконец, прекращается совсем (участок ВС). Т.е. получаем ток насыщения, величина которого определяется мощностью ионизатора Это достигается тогда, когда все ионы и электроны, создаваемые внешним ионизатором за единицу времени, за это же время достигают электродов. Если в режиме ОС прекратить действие ионизатора, то прекращается и разряд. Разряды, существующие только под действием внешних ионизаторов, называются несамостоятельными. При дальнейшем увеличении напряжения между электродами сила тока вначале медленно (участок CD), а затем резко (участок DE) возрастает и разряд становиться самостоятельным. Разряд в газе, сохраняющийся после прекращения действия внешнего ионизатора, называется самостоятельным.

Механизм возникновения самостоятельного разряда следующий. При больших напряжениях возникающие под действием внешнего ионизатора электроны, сильно ускоренные электрическим полем сталкиваясь с молекулами газа, ионизируют их, в результате чего образуются вторичные электроны и положительные ионы. Положительные ионы двигаются к катоду, а электроны — к аноду. Вторичные электроны вновь ионизируют молекулы газа, и, следовательно, общее количество электронов и ионов будет возрастать по мере продвижения электронов к аноду лавинообразно. Это является причиной увеличения электрического тока на участке CD. Описанный процесс называется ударной ионизацией. Ударная ионизация под действием одних лишь электронов недостаточна для поддержания разряда при удалении внешнего ионизатора. Для поддержания разряда необходимо, чтобы электронные лавины «воспроизводились», т. е. чтобы в газе под действием каких-то процессов возникали новые электроны. Это наступает при значительных напряжениях между электродами газового промежутка, когда к катоду устремляются лавины положительных ионов, которые выбивают из него электроны. В этот момент, когда кроме электронных лавин возникают еще и ионные, сила тока растет уже практически без увеличения напряжения (участок DE на рис.), т.е. возникает самостоятельный разряд. Напряжение, при котором возникает самостоятельный разряд, называется напряжением пробоя.

Необходимо отметить, что при разряде в газах реализуется особое состояние вещества, называемое плазмой. Плазмой называется сильно ионизованный газ, в котором плотности положительных и отрицательных зарядов практически одинаковы. Различают высокотемпературную плазму, возникающую при сверхвысоких температурах, и газоразрядную плазму, возникающую при газовом разряде. Плазма характеризуется степенью ионизации a — отношением числа ионизованных частиц к полному их числу в единице объема плазмы. В зависимости от величины a говорят о слабо (а составляет доли процента), умеренно (несколько процентов) и полностью (близко к 100%) ионизованной плазме.

 

Различают четыре типа самостоятельного разряда: тлеющий, искровой, дуговой и коронный.

1. Тлеющий разряд возникает при низких давлениях. Если к электродам, впаянным в стеклянную трубку длиной 30 — 50 см, приложить постоянное напряжение в несколько сотен вольт, постепенно откачивая из трубки воздух, то при давлении ~ 5,3 - 6,7 кПа (несколько мм рт ст) возникает разряд в виде светящегося извилистого шнура красноватого цвета, идущего от катода к аноду. При дальнейшем понижении давления (~13 Па) разряд имеет следующую структуру.

 

Непосредственно к катоду прилегает темный тонкий слой 1 – астоново темное пространство, далее следует тонкий светящийся слой 2 — первое катодное свечение или катодная пленка, затем следует темный слой 3 — катодное (круксовое) темное пространство, переходящее в дальнейшем в светящийся слой 4 — тлеющее свечение, имеющее резкую границу со стороны катода, постепенно исчезающую со стороны анода. Оно возникает из-за рекомбинации электронов с положительными ионами. С тлеющим свечением граничит темный промежуток 5— фарадеево темное пространство, за которым следует столб ионизованного светящегося газа 6 — положительный столб. Положительный столб существенной роли в поддержании разряда не имеет. Приложенное напряжение распределяется вдоль разряда неравномерно. Практически почти все падение потенциала приходится на три первых слоя и называется катодным падением потенциала.

Механизм образования слоев следующий. Положительные ионы вблизи катода, ускоренные катодным падением потенциала, бомбардируют катод и выбивают из него электроны. В темном астоновом пространстве электроны разгоняются и возбуждают молекулы, которые начинают испускать свет, образуя катодную пленку 2. Электроны пролетевшие без столкновений пленку 2 ионизируют молекулы газа за этой пленкой. Образуется много положительных и отрицательных зарядов. При этом интенсивность свечения уменьшается. Эта область представляет собой катодное (круксовое) темное пространство 3. Электроны, возникшие в катодном темном пространстве, проникают в область 4 тлеющего свечения, которое обусловлено их рекомбинацией с положительными ионами. Далее оставшиеся электроны и ионы (их мало) проникают путем диффузии в область 5 – фарадеево темное пространство. Оно кажется темным потому, что концентрация рекомбинирующих зарядов мала. В области 5 существует электрическое поле, которое разгоняет электроны и в области положительного столба 6 они производят ионизацию, в результате чего образуется плазма. Свечение положительного столба в основном связано с переходами возбужденных молекул в основное состояние. Оно имеет характерный для каждого газа цвет. В тлеющем разряде особое значение для его поддержания имеют только три его части — до тлеющего свечения. В катодном темном пространстве происходит сильное ускорение электронов и положительных ионов, выбивающих электроны с катода (вторичная эмиссия). В области тлеющего свечения же происходит ударная ионизация электронами молекул газа. Образующиеся при ударной ионизации положительные ионы устремляются к катоду и выбивают из него новые электроны, которые, в свою очередь, опять ионизируют газ и т. д. Таким образом непрерывно поддерживается тлеющий разряд.

Применение в технике. Свечение положительного столба, имеющее характерный для каждого газа цвет, используется в газоразрядных трубках для создания реклам (неоновые газоразрядные трубки дают красное свечение, аргоновые — синевато-зеленое) и в лампах дневного света.

2. Искровой разряд возникает при больших напряженностях электрического поля (~3 10^б В/м) в газе, находящемся под давлением порядка атмосферного. Объяснение искрового разряда дается на основе стримерной теории, согласно которой возникновению ярко светящегося канала искры предшествует появление слабосветящихся скоплений ионизованного газа — стримеров. Стримеры возникают как в результате образования электронных лавин посредством ударной ионизации, так и в результате фотонной ионизации газа. Лавины, догоняя друг друга, образуют проводящие мостики из стримеров, по которым в следующие моменты времени и устремляются мощные потоки электронов, образующие каналы искрового разряда. Из-за выделения при рассмотренных процессах большого количества энергии газ в искровом промежутке нагревается до очень высокой температуры (примерно 10^{4 о}C), что приводит к его свечению. Быстрый нагрев газа ведет к повышению давления и возникновению ударных волн, объясняющих звуковые эффекты при искровом разряде. Например, потрескивание в слабых разрядах и мощные раскаты грома в случае молнии.

Применение в технике. Для воспламенения горючей смеси в двигателях внутреннего сгорания и предохранения электрических линий передачи от перенапряжений (искровые разрядники).

3. Дуговой разряд. Если после зажигания искрового разряда от мощного источника постепенно уменьшать расстояние между электродами, то разряд становится непрерывным, т.е. возникает дуговой разряд. При этом ток резко возрастает, достигая сотен ампер, а напряжение на разрядном промежутке падает до нескольких десятков вольт. Дуговой разряд можно получить от источника низкого напряжения, минуя стадию искры. Для этого электроды (например, угольные) сближают до соприкосновения, они сильно раскаляются электрическим током, потом их разводят и получают электрическую дугу. При атмосферном давлении дуговой разряд имеет температуру ~3500 ^оC. По мере горения дуги на аноде образуется углубление — кратер, являющийся наиболее горячим местом дуги. дуговой разряд поддерживается за счет а интенсивной термоэлектронной эмиссии из катода, а также термической ионизации молекул, обусловленной высокой температурой газа.

Применение - для сварки и резки металлов, получения высококачественных сталей (дуговая печь) и освещения (прожекторы, проекционная аппаратура).

4. Коронный разряд — высоковольтный электрический разряд при высоком (например, атмосферном) давлении в резко-неоднородном поле вблизи электродов с большой кривизной поверхности (например, острия). Когда напряженность поля вблизи острия достигает 30 кВ/м, то вокруг него возникает свечение, имеющее вид короны, чем и вызвано название этого вида разряда. Это явление получило в древности название огней святого Эльма. В зависимости от знака коронирующего электрода различают отрицательную или положительную короны.

Применение - в электрофильтрах, применяемых для очистки промышленных газов от примесей, при нанесении порошковых и лакокрасочных покрытий.